Mitglied werden Sponsor werden

Spannungsmessung (Geophysik)

Spannungen im Untergrund lassen sich auf verschieden Art messen. Manche Methoden der Spannungsmessung kommen eher nur für oberflächennahe geotechnische Anwendungen in Frage. Gängige Methoden sind:

Durch die meisten Messungen erhält man nur Ergebnisse für Teile des Spannungstensors, oft nur Richtungen und keine Beträge:

  • Erdbeben Herdflächenlösungen (beach balls) geben Aufschlusse über über die Richtung der kleinsten und größten Horizontalspannung.
  • Bohrlochrandausbrüche geben Aufschluss über die Richtung der kleinsten und größten Horizontalspannung.
  • Vertikale Zugrisse geben Aufschluss über über die Richtung der kleinsten und größten Horizontalspannung. 
  • Hydraulische Microfracs geben Werte für Richtungen und Beträge
  • Das Überbohrverfahren kann Werte für Richtungen und Beträge geben, ist in Tiefbohrungen aber aufwändig.

Anwendung in der Geothermie

In der Geothermie spielt die Bestimmung des Spannungsfeldes in vielen Fällen eine ganz entscheidende Rolle. Das Spannungsfeld ist für die Richtung vorhandener Risse und für die Richtung der Ausbreitung künstlicher Risse von entscheidender Bedeutung. Dies gilt auch für die Wasserwegsamkeit der Risse.

Eine weitere Bedeutung hat die Messung des Spannungsfeldes im Kontext mit induzierter Seismizität.

Übersichtstabelle Spannngsmessungen

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die möglichen direkten und indirekten Verfahren der Spannungsmessung.

Direkt/ indirekt

Messverfahren, Instrument

Messwert

Ergebnis

Anmerkung, Anwendung

direkt

Druckmessdose

 

σn

totale

Spannung Δσ

[Änderungsmessung] 

anwendbar für

Lockergesteine und

Schüttungen; nur bedingt

anwendbar in weichen

Festgesteinen und Beton

 

Piezometer

u

Porendruck

u und Δu [absolut bzw.

Änderungsmessung]

im Verein mit

Druckmessdosen (s. 4.2.1)

Ermittlung effektiver

Spannungen möglich

 

Schlitzentlastung und Kompensation

σ

σn

[absolut]

beschränkt auf unmittelbar

zugängliche Messpunkte

 

Hydraulic fracturing

σ3

σ31)   

[absolut]

Bestimmung von s1 ist

problematisch

indirekt

Überbohrverfahren, Doorstopper, 2D Messzelle

 

εx εy

γxy

σ1  σ2

[absolut]

redundantes (i £ 4) 2-D

Verfahren für Festgesteine

 

3D Messzelle tangential

εxx εyy εzz

 

 

γxy γxz

 

γyz

σ1 σ2 σ3

[absolut]

redundantes (i £ 6) 3-D

Verfahren für Festgesteine

oftmals: CSIRO HI Cell

 

3D Messzelle radial

 

Δdi

oder 

Δri

 

σ1 σ2

[absolut]

redundantes (i £ 4) 2-D

Verfahren für Festgesteine

 

Bohrlochschiltzverfahren

εni

σ1 σ2 

[absolut]

beliebig redundantes 2-D

Verfahren für Festgesteine

 

Steifer Einschluss

 

 

Δdi

 

 

 

 

Δσ1

Δσ2

 

[Änderungsmessung]

2-D Verfahren für festen Fels

 

Dehnungsmessgeber

 

 

ε

 

 

Δσ 

[absolut oder

Änderungsmessung

anwendbar für Strukturen mit

definierten Abmessungen und

Eigenschaften (Stahl, Anker,

Betonelemente)

 

Technologienbaum Spannungsmessungen

Literatur

H. Bock, Arbeitsbericht NAB 14-30 „Oberflächennahe Spannungsmessungen in der Nordschweiz und den angrenzenden Gebieten“ 2014

Judith M. Sheridan,Stephen H. Hickman. 2004. In situ stress, fracture, and fluid flow analysis in Well 38C-9: an enhanced geothermal system in the Coso geothermal field. In: Twenty-Ninth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Twenty-Ninth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering; 2013/01/01; Stanford, California. Stanford, California: US Geological Survey; p. 9

U.S. Geological Survey. Borehole Imaging of In Situ Stress Tests at Mirror Lake Research Site [Internet]. 2013. U.S. Geological Survey. [cited 2013/10/16]. Available from: http://water.usgs.gov/ogw/bgas/toxics/ml_bips.html

Seithel, R.: Charakterisierung tektonischer Spannungen für ein Geothermieprojekt in der süddeutschen Molasse. M-3. Interne Schriftenreihe Institut für Angewandte Geowissenschaften Fachbereich Geothermie, edited by: Kohl, T.,, 2013 

Ask, D. : Developments of the integrated stress determination method and application to the Äspö Hard Rock Laboratory, Sweden. In: PhD thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden (2004), S. 1-60 

Barton, C.A., Hickman, S., Morin, R.H., Zoback, M.D., Finkbeiner, T., Sass, J. and Benoit, D. : Fracture permeability and its relationship to in-situ stress in the Dixie Valley, Nevada, geothermal reservoir. In: USGS Staff -- Published Research. Paper 359. digitalcommons.unl.edu/usgsstaffpub/359 (1997) 

Cornet, F.H., and P. Julien: Stress determination from hydraulic test data and focal mechanisms of induced seismicity. In: Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. Nummer 26 (1993), S. 235 

Cornet, F.H., and Yin Jianmin: Analysis of induced seismicity for stress field determination. In: Pure and Applied Geophys. , 145, Nummer 145 (1995), S. 677 

David SAHARA, Martin SCHOENBALL, Thomas KOHL, Birgit MUELLER : Analysis of Stress Heterogeneities in Fractured Crystalline Reservoir , World Geothermal Congress , 2015

Carla CO and Roland HORNE :Stress-Permeability Relationships in Low Permeability Systems: Application to Shear Fractures , Stanford Geothermal Workshop , 2014

Kelly BLAKE : Stress Analysis for Boreholes on Department of Defense lands in the Western United States: A study in stress heterogeneity , Stanford Geothermal Workshop , 2013

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank

Weblink

http://en.openei.org/wiki/Stress_Test